杜青輝等

摘要當(dāng)前我國(guó)水資源存在水危機(jī)、水安全諸多問(wèn)題，如水資源短缺、水污染加劇、水質(zhì)惡化等，水質(zhì)水量聯(lián)合配置是解決這些問(wèn)題的有效措施之一。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前存在的問(wèn)題，并結(jié)合高新技術(shù)展望了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞水資源；水質(zhì)水量；聯(lián)合配置

中圖分類號(hào)S273；TV213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）21-241-02

目前，廣大人民群眾在追求生活環(huán)境改善的同時(shí)，對(duì)水資源的供給提出更高要求，在保障水量供足的同時(shí)又要保證水質(zhì)安全。水資源短缺從根本上制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而水環(huán)境污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，更一步加劇了水資源短缺。資源型缺水、水質(zhì)型缺水、工程型缺水和制度型缺水等新老問(wèn)題相互交織，傳統(tǒng)的水資源配置模式需要更新。國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究。

1水質(zhì)水量聯(lián)合配置發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始重視水質(zhì)水量與環(huán)境效益、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析。如Loftis等[1]建立了水資源優(yōu)化模擬模型，解決湖泊水質(zhì)水量調(diào)度問(wèn)題。Pingry等[2]為解決水污染處理費(fèi)用和水資源供給費(fèi)用均衡問(wèn)題，構(gòu)建了水量平衡模型和水鹽模型的決策支持系統(tǒng)。Mehrez等[3]從高質(zhì)高用、低質(zhì)低用，分質(zhì)供水角度，建立水量和水質(zhì)的非線性規(guī)劃模型。Afzal等[4]以分質(zhì)供水思想，采用線性規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)了巴基斯坦某灌溉區(qū)水量配置。Avogadro等[5]建立了考慮水質(zhì)約束的水資源規(guī)劃決策程序過(guò)程。Hayes等[6]進(jìn)行了針對(duì)水質(zhì)目標(biāo)的水量水質(zhì)和發(fā)電效能集成分析。Azevedo等[7]提出了水資源質(zhì)、量一體化的管理理念，并成功應(yīng)用于巴西皮拉西卡巴河流域的水資源管理。Campbell等[8]探討了高水質(zhì)儲(chǔ)水水庫(kù)的稀釋混合對(duì)源水水質(zhì)的凈化作用規(guī)律。Cai等[9]建立了集流域經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、水文和水質(zhì)為一體的模型，并通過(guò)大系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)技術(shù)求解模型，研究灌溉水量分配所引起的土壤鹽堿化問(wèn)題，并分析了研究區(qū)域環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的響應(yīng)關(guān)系。Genius等[10]、Vink等[11]將水量水質(zhì)系統(tǒng)作為一個(gè)綜合系統(tǒng)進(jìn)行管理。

可見(jiàn)，國(guó)外學(xué)者在對(duì)水資源配置時(shí)，以水量配置為核心，逐漸將水質(zhì)加入對(duì)水量調(diào)度的分析中。通過(guò)建立水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型，進(jìn)一步分析水質(zhì)和水量密切關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水量統(tǒng)一調(diào)度和管理。

1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究已引起了國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者的重視。如董增川等[12]在引江濟(jì)太原型試驗(yàn)引分水控制模式分析的基礎(chǔ)上，建立了水量水質(zhì)模擬與調(diào)度的耦合模型，分析了不同工況下調(diào)水對(duì)太湖水體總氮、總磷及有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)的影響。馬常仁[13]針對(duì)沙潁河河流特點(diǎn)，建立了沙潁河非恒定流的水質(zhì)水量耦合模型，通過(guò)閘壩的合理調(diào)控，改善下游河流水質(zhì)。李紅艷等[14]建立了扎龍濕地水量-WASP水質(zhì)耦合模型，定量化研究了濕地水質(zhì)凈化功能，并對(duì)總氮、總磷進(jìn)行模擬研究。趙璧奎等[15]建立了城市原水系統(tǒng)水質(zhì)水量控制耦合模型，提出了水庫(kù)群動(dòng)態(tài)水質(zhì)評(píng)價(jià)。張翔等[16]模擬了淮河流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度的不同調(diào)度方案，對(duì)各方案下水質(zhì)指標(biāo)及洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。蔣云鐘等[17]針對(duì)制約河湖水系連通工程復(fù)雜巨系統(tǒng)技術(shù)難題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)河湖水系連通工程水質(zhì)水量智能調(diào)控及應(yīng)急處置系統(tǒng)總體框架。張守平等[18]構(gòu)建了湟水干流以改進(jìn)的“三次平衡”思想為指導(dǎo)的水量水質(zhì)聯(lián)合配置模型，分析了各水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。康愛(ài)卿等[19]建立了遼寧省遼河流域面向地表水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型，為水資源開(kāi)發(fā)利用、水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

可見(jiàn)，我國(guó)水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究發(fā)展迅速。多數(shù)國(guó)內(nèi)學(xué)者將水量模型、水質(zhì)模型耦合，并將數(shù)學(xué)方法及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成功應(yīng)用于模型當(dāng)中，解決了河流污染、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、水資源合理配置等實(shí)際問(wèn)題。

2水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究前沿課題

2.1多目標(biāo)問(wèn)題研究

水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究具有時(shí)空上的不確定性及復(fù)雜性，其多目標(biāo)問(wèn)題已引起了專家、學(xué)者的重視。多目標(biāo)問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)層面：第一，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量的合理配置。在區(qū)域水量?jī)?yōu)化配置中，其配置目標(biāo)包括城鎮(zhèn)農(nóng)村生活、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等；其水源包括外調(diào)水、地表水、地下水、非常規(guī)水等；其約束條件包括用水總量控制、最小下泄量、出境水量等。實(shí)現(xiàn)各水源分行業(yè)最優(yōu)配置，達(dá)到水量供給可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展；第二，污染物控制消減目標(biāo)。針對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行仿真模擬，相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)涵蓋富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)、重金屬污染、化學(xué)需氧量、有毒化學(xué)品污染等，根據(jù)水功能區(qū)納污能力承受情況，對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬和評(píng)估，進(jìn)行污染物總量控制；最后，對(duì)污染治理措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)工程和非工程措施，評(píng)估不同方案的效果和投入，提出污染控制方案。

2.2高新技術(shù)應(yīng)用研究

水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究是一個(gè)巨系統(tǒng)工程問(wèn)題，其規(guī)模大、目標(biāo)多、非線性，涉及到諸多學(xué)科和領(lǐng)域。隨著水資源配置理論研究的不斷深入和信息化技術(shù)突飛猛進(jìn)，大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)、模擬優(yōu)化技術(shù)、決策支持技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，在復(fù)雜水資源系統(tǒng)問(wèn)題上得到廣泛應(yīng)用，為水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究提供了智能化、精細(xì)化技術(shù)支持。

2.2.1海量數(shù)據(jù)與“3S”技術(shù)的結(jié)合。水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究需要處理大量數(shù)據(jù)，研究海量分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理技術(shù)、建立智能搜索引擎是提高數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)效率和快速檢索的關(guān)鍵?！?S”技術(shù)體系在數(shù)據(jù)收集和管理、快速檢索和存儲(chǔ)方面功能強(qiáng)大，使得傳統(tǒng)水質(zhì)模型海量數(shù)據(jù)難以收集、處理的問(wèn)題得以解決，以逼真的圖像形式顯示水體內(nèi)水流、水質(zhì)變化的空間特征、統(tǒng)計(jì)特性和未來(lái)趨勢(shì)等。

2.2.2水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。利用移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)車、水下仿生機(jī)械人監(jiān)測(cè)儀等儀器智能調(diào)度與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線提取技術(shù)，通過(guò)通訊基站GPRS、CDMA等無(wú)線通訊網(wǎng)的互聯(lián)互通技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的實(shí)時(shí)傳遞。

3存在的主要問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1存在的主要問(wèn)題

3.1.1缺乏水資源水環(huán)境承載能力的監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制以及水質(zhì)污染預(yù)警治理的有力技術(shù)措施。近年來(lái)，水質(zhì)污染監(jiān)控已引起了環(huán)保部門的重視，但是當(dāng)前的定期檢測(cè)結(jié)果僅是被動(dòng)的感知層面，而人們感興趣的是水質(zhì)變化趨勢(shì)以及如何調(diào)控。

3.1.2缺乏對(duì)地表水、地下水相結(jié)合的水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究。在水資源稀缺地區(qū)，地下水作為生活用水水源之一，水質(zhì)污染也引起了重視。當(dāng)前水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控以地表水為主，地表水、地下水水質(zhì)水量耦合模型研究不足。

3.1.3水質(zhì)水量綜合評(píng)價(jià)方法有待改進(jìn)。特別是水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)有水質(zhì)評(píng)價(jià)均是對(duì)靜態(tài)水量的水質(zhì)評(píng)價(jià)，沒(méi)有考慮到人工水循環(huán)系統(tǒng)和天然水循環(huán)系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系。在水質(zhì)水量聯(lián)合配置中，調(diào)度結(jié)果包含了多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的濃度變化過(guò)程，需要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。

3.1.4缺乏水質(zhì)水量聯(lián)合配置的后效型評(píng)價(jià)機(jī)制。目前，對(duì)聯(lián)合配置方案后效性評(píng)價(jià)研究較少，且評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也相對(duì)分散。缺乏工程投資費(fèi)用效益分析、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況、用戶缺水率等指標(biāo)的綜合效應(yīng)分析。

3.2發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1建立水資源水環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)保護(hù)。通過(guò)通訊互聯(lián)互通技術(shù)、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，將管理需求與不同水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面（監(jiān)測(cè)站）監(jiān)控有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染負(fù)荷遷移轉(zhuǎn)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)水質(zhì)水量聯(lián)合配置目標(biāo)、可行手段和水環(huán)境量化評(píng)價(jià)關(guān)鍵因子進(jìn)行模型標(biāo)準(zhǔn)化分析，提出基于分行業(yè)、涵蓋點(diǎn)面源污染負(fù)荷的源頭示蹤分析技術(shù)，在機(jī)理過(guò)程分析和全面監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水環(huán)境不達(dá)標(biāo)的溯源追蹤，進(jìn)而為污染動(dòng)態(tài)監(jiān)管提供支持。加強(qiáng)污染源治理，從根本上解決水質(zhì)污染問(wèn)題。

3.2.2加快構(gòu)建江河湖庫(kù)水系連通體系水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究。這對(duì)實(shí)現(xiàn)河湖濕地恢復(fù)、行水暢通、生態(tài)環(huán)境改善、水資源配置格局、地表水和地下水互補(bǔ)平衡具有重要意義。

3.2.3建立水質(zhì)安全評(píng)價(jià)診斷技術(shù)等有力的決策支持平臺(tái)。確定污染風(fēng)險(xiǎn)危害程度，分析評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)。建立動(dòng)態(tài)的水質(zhì)安全評(píng)價(jià)體系，有效控制、治理污染因子，為管理者和決策者提供技術(shù)支持。

3.2.4加強(qiáng)流域水資源水質(zhì)水量綜合管理。以總量控制為前提，以水功能區(qū)改善為導(dǎo)向，將污染物削減和水量調(diào)控結(jié)合起來(lái)。首先，根據(jù)用水總量控制，堅(jiān)持以水定需、以水定產(chǎn)，制定更為嚴(yán)格的行業(yè)節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)；再者，根據(jù)水功能區(qū)納污總量限制，實(shí)施更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)及污水處理標(biāo)準(zhǔn)。另外，水質(zhì)水量分別由環(huán)保部門和水利部門管轄，若要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水量的綜合管理，環(huán)保部門和水利部門必須要在公務(wù)上加強(qiáng)交流與合作。

4結(jié)語(yǔ)

分析了國(guó)內(nèi)外水資源水質(zhì)水量聯(lián)合配置的研究進(jìn)展及前沿課題，指出了現(xiàn)有存在的問(wèn)題，并展望了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。開(kāi)展水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究對(duì)解決區(qū)域水資源短缺及水污染具有重要意義。當(dāng)然，加強(qiáng)污水處理工程建設(shè)，控制污染源，才能從根本上解決水環(huán)境污染問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] LOFTIS B，LABADIE J W，F(xiàn)ONTANE D G.Optimal operation of a system of lakes for quality and quantity[M]//Computer applications in water resources.New York：ASCE，1989：693-702.

[2] PINGRY D E，SHAFTELT L，BOLES K E.Role for decision support systems in water delivery design[J].Journal of Water Resources Planning and Management，1990，116（6）：629-644.

[3] MEHREZ A，PERCIA C，ORON G.Optimal operation of a multi resources and multiquality regional water system[J].Water Resources Research，1992，28（5）：1199-1206.

[4] JAVAID A，DAVID N H.Optimization model for alternative use of different quality irrigation waters[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，1992，118：218-228.

[5] AVOGADRO E，MINCIARDI R，PAOLUCCI M.A decisional procedure for water resources planning taking into account water quality constrains[J].European Journal of Operational Research，1997，102：320-334.

[6] HAYES D F，LABADIE J W，SANERS T G.Enhancing water quality in hydropower system operations[J].Water Resources Research，1998，34（3）：471-483.

[7] AZEVEDO D L，GABRIEF T，GATES T K，et al.Integration of water quantity and quality in strategic river basin planning [J].Journal of Water Resources Planning and Management，2000，126（2）：85-97.

[8] CAMPBELL J E，BRIGGS D A，DETON R A.Water quality operation with a blending reservoir and variable sources[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2002，128（4）：288-302.

[9] CAI XIMING，MCKINNEY D C，LASDON L S，et al.Integrated hydrologic-agronomic-economic model for river basin management[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2003，129（1）：4-17.

[10] GENIUS M.Evaluating consumers willingness to pay for improved potable water quality and quantity[J].Water Resources Management，2006（11）：1825-1834.

[11] VINK S，MORAN C J.Understanding mine site water and salt dynamics to support integrated water quality and quantity management[J].Maney Publishing，2009（5）：185-192.

[12] 董增川，卞戈亞，王船海，等.基于數(shù)值模擬的區(qū)域水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（2）：184-189.

[13] 馬常仁.沙潁河水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[14] 李紅艷，章光新，孫廣志.基于水量-水質(zhì)耦合模型的扎龍濕地水質(zhì)凈化功能模擬與評(píng)估[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2012，42（11）：1163-1171.

[15] 趙璧奎，王麗萍，張驗(yàn)科，等.城市原水系統(tǒng)水質(zhì)水量控制耦合模型研究[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43（11）：1373-1386.

[16] 張翔，李良，吳紹飛.淮河水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)科技論文，2014，9（11）：1237-1242.

[17] 蔣云鐘，冶運(yùn)濤，王浩.基于物聯(lián)網(wǎng)的河湖水系連通水質(zhì)水量智能調(diào)控及應(yīng)急處置系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2014，34（7）：1895-1903.

[18] 張守平，魏傳江，王 浩，等.流域/區(qū)域水量水質(zhì)聯(lián)合配置研究II：實(shí)例應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45（8）：938-949.

[19] 康愛(ài)卿，謝新民，魏傳江.遼寧省遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型及結(jié)果分析[J].水利信息化，2015（3）：58-61.